基于DSP與FPGA的運動控制器設(shè)計

作者：時間：2009-10-21 來源：網(wǎng)絡(luò)

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(1)輸入輸出開關(guān)量接口設(shè)計。輸入信號主要包括限位開關(guān)信號LIMX+、LIMX-～LIMU+、LIMU-，伺服報警信號ALMX～ALMU和回零信號HMX～HMU。輸出信號主要包括伺服使能信號SRVX～SRVU和復(fù)位信號RSTX～RSTU。當(dāng)檢測到這些信號后，確定具體觸發(fā)的信號，限位信號觸發(fā)，則立即停止對應(yīng)電機該方向的運動，直到限位消除，電機才能在該方向繼續(xù)運動；回零信號觸發(fā)，則電機等待Index信號的輸入后立即讓電機反向運行用戶設(shè)定的回零距離作為機械零點；伺服報警信號輸入時，程序立即停止該電機的運動，直到用戶將報警清除。
　　(2)輸出控制脈沖電路設(shè)計。輸出控制脈沖信號為伺服電機的4路脈沖控制輸出信號。此控制采用“脈沖+方向”指令，由于每個控制軸分別有脈沖和方向信號，所以4路共8個輸出信號。輸出控制脈沖信號由FPGA輸出，要先經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，將FPGA的I/O引腳的3.3 V變?yōu)? V，再經(jīng)過光電隔離，然后再經(jīng)過施密特觸發(fā)器整形后輸出。由于脈沖和方向信號需要進行差分，所以將信號接入差動線驅(qū)動器后再輸出。XPLS～UPLS為脈沖信號，XDIR～UDIR為方向信號。差動線驅(qū)動器由AM26LS31構(gòu)成，該電路的功能是將輸入的單極性的方波信號轉(zhuǎn)化為一對極性相反的電機驅(qū)動信號，它的高阻抗輸出狀態(tài)在電源掉電時是有保障的。
　　(3)反饋脈沖處理電路設(shè)計。伺服電機的編碼器信號直接接入到電機驅(qū)動器中，驅(qū)動器提供三對差分信號A+、A-、B+、B-、Z+、Z-作為反饋。這三對信號由于受到驅(qū)動器內(nèi)部大電源的干擾，在電機旋轉(zhuǎn)時，所發(fā)出的信號會出現(xiàn)許多毛刺，直接接到FPGA中會引起誤判斷，所以三對信號經(jīng)過差分電路轉(zhuǎn)化為單路信號A、B、Z。差分電路由AM26LS32構(gòu)成，該芯片功能與AM26LS31相反，該電路的功能是將輸入的一對極性相反的編碼器反饋信號轉(zhuǎn)化為單極性的方波信號。A、B兩路為正交編碼脈沖，Z路每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個低電平脈沖，用于回零時的精確定位。
2.4 數(shù)字量輸入輸出接口模塊
　　考慮到系統(tǒng)的可擴展性和DSP的GPIO口的數(shù)量，此運動控制器在DSP與FPGA上分別設(shè)計8路，共16路數(shù)字量輸入輸出。運動控制器的所有數(shù)字量輸入輸出信號均采用光電隔離處理，并對每一路信號進行相應(yīng)的數(shù)字濾波處理，以消除噪聲信號。數(shù)字量輸入通道可以根據(jù)用戶的要求自定義用途，用于零點、限位信號的輸入等；數(shù)字量輸出通道用于各軸方向、脈沖信號的輸出以及一些外部設(shè)備的啟?？刂频取?br />3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/163515.htm

　　軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，程序的總體結(jié)構(gòu)采用以數(shù)據(jù)管理和位置速度控制為主，以I/O端口控制、邏輯控制、插補運算等為中斷任務(wù)或子函數(shù)任務(wù)的形式。位置速度控制主要負責(zé)對實時運動狀態(tài)的監(jiān)控與調(diào)節(jié)；I/O端口控制主要負責(zé)掃描輸入端口、設(shè)置輸出端口等輔助性任務(wù)。
　　DSP控制程序主要由一個定時中斷構(gòu)成，主程序啟動后，首先完成對TMS320F2812的初始化及系統(tǒng)的一些基本配置，并處于等待狀態(tài)。運動控制功能是在伺服中斷服務(wù)程序中實現(xiàn)的。主程序和伺服中斷服務(wù)程序基本流程如圖4所示。

　　FPGA主要完成運動控制器的精插補功能，采用數(shù)字積分法進行插補[1]。把數(shù)字積分法分為3個狀態(tài)：(1)狀態(tài)WAIT，等待插補信號；(2)狀態(tài)L1，判斷總的脈沖數(shù)；(3)狀態(tài)L2，積分累加器累加一次，如有溢出，相應(yīng)的輸出脈沖為高電平，剩余累加次數(shù)減1。
　　數(shù)字積分法的有限狀態(tài)機如圖5所示。

　　觸發(fā)條件T1：沒有啟動信號，下一狀態(tài)為WAIT，無操作；觸發(fā)條件T2：有啟動信號，下一狀態(tài)為L1，操作為初始化各寄存器，置忙信號；觸發(fā)條件T3：剩余累加次數(shù)大于0，下一狀態(tài)為L2，操作為各軸輸出脈沖為低電平；觸發(fā)條件T4：剩余累加次數(shù)為0，下一狀態(tài)為WAIT，操作為各軸輸出脈沖為低電平，清忙標(biāo)志；無觸發(fā)條件：下一狀態(tài)為L1。
　　具體實現(xiàn)方法為：時序電路產(chǎn)生的插補脈沖作為此模塊的累加脈沖，每累加1次，剩余累加次數(shù)減1。當(dāng)剩余累加次數(shù)為0時，此次插補過程結(jié)束。
　　本文設(shè)計了一種通用型四軸伺服運動控制器，該運動控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以模塊化和易于擴展，這樣可以滿足用戶的各種需求。在軟件部分中，采用有限狀態(tài)機的插補方法，在插補速度處理環(huán)節(jié)做了優(yōu)化，使脈沖輸出更加穩(wěn)定。此設(shè)計采用了模塊化思想，各電機可以單獨控制，具有較為全面的運動控制功能、較高的控制精度和較快的反應(yīng)速度，其性能可靠、硬件結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜。